旁路電容的阻抗可以在相當寬的頻率範圍內測量,可以由此瞭解該零件的小訊號等效行為。透過對複阻抗進行後處理,可以得到作為頻率函數的電容、有效串聯電感(ESL)和有效串聯電阻(ESR)。如果需要,也可以將DC和AC偏置電壓相關參數和溫度添加到輸入參數組中,這些在早期出版的書刊中都有詳細描述,用於同樣目的的儀器和測量設置也早已確定。為了測量具有高電容和低ESR旁路電容的阻抗,在雙埠並聯連接中要選擇合適的向量網路分析儀(VNA)。

一旦準備好測量儀器,接下來的挑戰就是如何將電容連接到儀器上。對於快速和簡單的測量,自製的夾具就足以應對。

吸錫線(solder wick)夾具

這個夾具雖然簡單又原始,但在低頻率下工作得非常好。可以用兩根又薄又軟的同軸電纜線,一端帶有連接器,另一端帶有麻花辮,使用一個RG-178 SMA電纜跳線並在中間切斷,可以得到兩根相同長度的電纜。低頻時,連接器類型無關緊要,而SMA連接器相對較小,成本低且易於從市面上買到,切割後,電纜線長度要夠長,以便連接網路分析儀和夾具,並放置在前面的工作台上(如果可以的 話,應該選擇儘量短的電纜,只要可以連接就行)。

剝開開口端的塑膠護套,解開約1/4英吋線辮,並用辮子的方法連接起來。接下來,切割兩個1英吋的吸錫線,在熱縮短管上滑動,以串聯方式焊接兩根同軸電纜,將熱縮管滑動到位,最後用熱風槍吹熱縮管使之收縮,這樣就製作好了一個靈活的夾具,如圖1所示。需要標記清楚,哪個是連接中心線,哪個是連接同軸電纜線辮,或者可以使用彩色熱縮管,也可以像圖1那樣,用較長的熱縮管標識同軸電纜的返回(線辮側)。

20180723TA01P1 圖1 夾具的吸錫線(上圖)和D號電容(下圖)。

電容可以放置在兩個裸露的吸錫線導體之間,構成一個雙埠分路測量方案。在圖1的下方,夾具中是一個D號(7.3×4.3mm)電容,這種夾具最適合利用安裝壓力產生連接(pressure-mount connection),不適用於焊接,其好處是,透過壓力產生接觸,可以避免元件產生熱應力,還可以快速更換測量元件。壓力安裝連接可以利用裝有彈簧的塑膠或木夾來實現,甚至可以用手指擠壓夾具使測量元件就位。如果擔心身體阻抗會引起誤差,可以在沒有放置電容時用手指抓住焊芯電極,然後讀取阻抗值,只要讀數遠高於電容的阻抗,就可以忽略這個誤差。

如果使用短電纜並將頻率限制在10MHz以下,透過VNA進行簡單的回應直通校準(response-through calibration)就足夠了。請注意,校準和測量是在不改變/斷開電纜的情況下完成,這可以提高測量的一致性。

還應該進行額外的參考測量,必須在沒有待測物(DUT)的情況下(開路)測量夾具,然後再測量有DUT的情況。圖2顯示這些參考案例的阻抗讀數,本文所用的短路裝置如圖3所示。額外的電容被拿走,元件底部的接線端子用一條吸錫線短路。

20180723TA01P2 圖2 開路和短路情況下的阻抗大小。

請注意,短路參考元件的阻抗不完全為零,它具有有限的電阻和電感。為了測量真正的低阻抗,需要對短路元件進行特徵描述,並進行更複雜的校準。

20180723TA01P3 圖3 D號短路參考元件。

在這個非常原始的夾具中,兩個VNA埠之間透過線辮直接連接,形成了一條「隱蔽路徑」。結果,對於短路讀數(以及其他所有讀數),得到的是如下參數的混合:

  1. DUT的實際阻抗;

  2. 一些接觸電阻;

  3. 由這條「隱蔽路徑」產生的殘餘誤差。

開路讀數和短路讀數提供了一個阻抗範圍,在這個範圍內可以信任只透過回應直通校準的夾具所測得的資料:DUT阻抗至少應是上限值的3~5倍(最好是10倍或以上)。在低頻時,對應於開路和短路的跡線阻抗分別為20kΩ和2mΩ,短路阻抗跡線的上升尾部是由它的電感造成,另外還要注意儀器雜訊設置的測量下限低於0.1mΩ。

圖4顯示了使用該夾具測量的10個DUT的阻抗大小。這些資料是透過用手將焊芯按壓在電容端子上收集得來。

20180723TA01P4 圖4 10個被測電容的阻抗大小。

頻率讀數接近1kHz,顯示所測量的470μF電容具有嚴格的容差。當頻率超過10kHz,曲線開始分散,在1MHz的串聯諧振頻率附近發散度達到最大。對於大容量電容,資料表僅保證ESR的最大值(不是典型值或最小值),本文這裡看到的發散是典型的。

當然,對於這種簡單的夾具,還需要考慮接觸電阻的擴展和一致性。在串聯諧振頻率之上,擴展會繼續,從1MHz~10MHz的上升表示電感效應,電感與電流路徑的形狀有關。由於這些電容的大小和形狀非常一致,電感擴展的可能原因也許是將夾具按壓到DUT時,焊芯連接線圈的尺寸變了。

我們總是可以重新測量異常的元件,這樣就能知道資料是否需要更新,或一些元件是否異常。記住需要定期清潔錫芯條表面以去除污漬,同時還必須確保元件端子的清潔。

總之,這種簡單的夾具可能確實有一些缺點:「隱蔽路徑」會引起誤差,焊芯軟連接使電纜之間的連接更加不穩定,而且接觸電阻可能變化。但是,對於頻率低於10MHz、阻抗高於幾毫歐姆的測量,這種夾具結構簡單、連接簡便、校準容易,其所帶來的好處遠遠超過其缺點。

(參考原文: Solder-wick trick characterizes bypass caps,by Istvan Novak)